Optik yalıtıcılar hem silisyum diod, Darlington transistör çifti veya SCR gibi fotodedektör, hem de bir kızıl ötesi LED içeren ( Optokuplör, Optoınterrupter gibi ) bir pakettir. Her bir elemanın dalga boyu tepkisi, olabildiğince büyük bir kuplaj ölçüsü sağlamayı mümkün kılacak kadar birbirine yakın olacak şekilde tasarlanır. Şekil 1 �de olası iki yonga düzenlemesi verilmiştir. Işığın geçmesini önlemek için yapıda ki her bir eleman kümesi arasında saydam bir yalıtma malzemesi konulmuştur. Bunların tepki süresi o kadar küçüktür ki, Mhz mertebesinde veri iletmek için kullanılır.

Şekil 1 İki optik yalıtıcısı yongası

2. Optokuplör (Optocoupler)

Bir optokuplör, kaynakla yük arasında elektriksel izolasyon sağlayan bir cihazdır. Şekil 2 a ‘da gösterildiği gibi altı bacaklı küçük plastik bir paket içine yerleştirilmiştir.(Başka paket düzenlemeleri de mümkündür.) Optokuplörler girişinde bir LED ve çıkışta da bir fotosensör vardır. Bunlar arasında elektriksel bir bağlantı yoktur.

Şekil 2 ‘de birçok optokuplör düzenleri gösterilmiştir. Bunlar sadece kullanılan fotosensörün tipi yüzünden birbirinden farklıdırlar. SCR veya triak çıkışlılar AC güç anahtarlama uygulamaları için uygundur. Öte yandan darlington çıkışı fototransistör çıkışı kullanılan pek çok genel amaçlı uygulamada ve büyük akım kazançları gerektiren uygulamalarda tavsiye edilir.

Tiak ve SCR optpkuplörleri düşük güçlü IC chiplerinin yüklere aktarılmasını interfacing gerektiren uygulamalarda özellikle yararlanılır.

Optokuplörün çalışması, giriş LED ‘inin bir dış kaynaktan ileri doğru akan akım nedeniyle radrasyon yaymasına neden olur.( GaAs diodu IR kızıl ötesi bölgede ışın yayar.) Bu radrasyon dış yükü sürmek için akım üreten fotosensör tarafından ortaya çıkarılır.

Optopkuplörün en önemli karakteristiklerinden biri çıkış akımının giriş ileri doğru LED akımına oranıdır:

N = I_L / I_F

şekil 3 ‘ de 4N26 optokuplör için akım transfer karakteristiklerini gösterir ki burada IL çıkış fototransistörünün kollektör akımıdır. Akım transfer oranı N ,karakteristik eğriye seçilen If değerinde teğet olan doğrunun eğimidir.

Şekil 2 optokuplör fiğürasyonları a) Foto SCR çıkışlı b) Fototransistör çıkışlı c) Foto Darlington çıkışlı d) Foto triak çıkışlı

Şekil 3 fototransistör çıkışlı optokuplörün akım transfer eğrisi

Optokuplör cihazı genellikle şu iki modun birinde çalıştırılır: Titreşimli (pulsed) mod veya lineer mod. Bu iki çalışma modu Şekil 4’de gösterilmiştir. Lineer mod şekil 4 a ‘da amplifikatör devresiyle gösterilmiştir. Bu çalışma modunda LED ilk olarak DC akımıyla polarize edilir. Uygulanan AC akımı DC akımı üzerine konur. Bu,LED akımının maxsimum AC değeriyle DC değerinin üstünde ve altında değişmesine neden olur. DC polarizasyonu yükseltilecek AC sinyalinin şekil değiştirmesinden sakınmak için gereklidir. Okuyucu transistör amplifikatörünün girişine bir AC sinyali uygulamadan önce uygun şekilde polarize edilmesi gerektiğini hatırlatabiliriz. Bu aynı sebeple yani yükseltilmiş sinyalin ya pozitif yada negatif tepesini kırpmaktan sakınmak için yapılır. Akım transfer oranı N ile çarpılınca, LED akımı fototransistör kollektör akımı olur. Şekil 4 ‘de bu akım 100 ohm ‘luk direnç üzerinden düşürülür ve bileşke AC gerilimi (DC bileşen 1 µ F �lık kondansatör tarafından durdurulur) V_o olarak görünmeden önce yükseltilir. V_o değeri aşağıdaki örnekteki şekilde hesaplanır.

Örnek : Şekil 4 ‘a da gösterilen optoamplifikatör düzenindeki V_o değerini hesaplayınız.

Çözüm : Toplam LED akımı 10 ± 5 mA. Böylece 5 mA ‘den 15 mA ‘e değişir. Fototransistör kollektör akımındaki ilgili değişim şekil 3 ‘den 1,8 ‘den 6 mA ‘e veya 4,2 mA tepeden tepeye elde edilir. 100 ohm ‘luk direnç üzerinden tepeden tepeye gerilimi ( kazancı -10 olan opampın girişi olan ) böylece;

 4.2 100 10^-3 = 0.42 V

tepeden tepeye bu gerilim 10 ( kazancı ) ile çarpılarak:

V_o = 4.2 V

elde edilmiş olur.

4 b ‘ de gösterilen titreşimli mod optokuplörün bir diğer çalışma modudur. Giriş sinyalindeki bozulmanın minimum olmasını sağlamak için optokuplörün lineer çalışmasına daha fazla dikkat

Şekil 4 ( a ) optpkuplör lineer çalışma modu

Şekil 4 ( b ) optokuplör titreşimli çalışma modu

edildiği lineer modun tersine titreşimli modda optokuplör basit bir anahtar olarak davranır. Bu çalışma modunda LED açık olarak ve çıkış, baz ile toprak arasında bağlanmış olan yük direnci üzerinden alınır. Fototransistör böylece fotodioda dönüştürülür. Bunu yapmanın en açık dezavantajı yük akımı’ ( ki , normalde kollektör akımı olması gerekirdi) nın şimdi baz akımı olmasıdır.

I_b = I_c / hfe

Şekil 3 ‘deki akım transfer karakteristikleri eğer I_c skalası hfe ‘ye bölünürse geçerlidir. Bu arada en önemli avantaj optokuplörün açık emetör kullanımında anahtarlama hızında önemli bir gelişmedir.

Yükselme zamanı ( fototransistör için 1 veya 2 µ saniye olmalıdır ) bu uygulamada 100 ns civarındadır. Yük direncinin düşük değeri opampın ofset akımını minimize etmek için kullanılır. 0,1 µF �lık kapasite DC bileşenin çı
kışta ortaya çıkmasını engeller. Yük üzerinde gerilimin düşük değeri yüksek kazançlı bir amplifikatörün kullanılmasını gerektirir. Aşağıdaki örnekte V_o titreşimli mod için hesaplanmıştır.

Örnek : Şekil 4 b �de ki devre için V_o �ı hesaplayınız.

Çözüm : LED akımı;

 I_F= (3 – 1 ) / 47 = 42.7mA

LED içinde 1V�luk gerilim düşümü kabul edildi. Şekil 3 �deki 25^o  C  eğrisini kullanarak hesaplanan I_F akımı için kollektör akımı 15 mA� dir. 4N26 özelliklerinden hfe = 325 değerini kullanarak baz akımının değeri:

i_B = 15 / 325 = 42.6 µA

ve 50 ohmluk direnç üzerindeki gerilim;

 46.2 50 10^-6 = 2.3 mV �dur.

Bu gerilim opamp tarafından yükseltilir. Opamp kazancı 200 olduğuna göre;

 V_o = 2.3 10^-3 200 = 0.46 V

Optokuplörün bazı uygulamaları şekil 2-29�da gösterilmiştir. Burada uygulanan açıkça optokuplörün izolasyon karakteristiğidir. Her iki durumda da kaynaktan elektriksel olarak izole edilmiş olan yük büyük DC güç gerektirir. Görüleceği gibi gerekli kontrol akımı nispeten küçüktür.

3. Optikkesici ( Optointerrupter )

Optointerrupter (OID) cihazının çalışması, optokuplör ile aynı prensibe dayanır. Temel fark paket düzenlemesinde yatar. Bufarkın sebebi ise OID paketi LED tarafından yayılan ışığı durdurmayı veya kesmeyi sağlayan bir oluğa sahiptir.

Tipik OID devresi temelde optokuplör devresiyle aynıdır. LED ve fotosensör tarafından oluşturulan optik bağlantıyı içerir. ( tipik olarak kızıl ötesi bölgede ışık yayan GaAs ) OID devresinde bulunan Schmitt trigger bazı imalatçılar tarafından üretilir. Schmitt trigger �ın amacı çıkış dalga şeklini üretmektir. Daha önce belirtildiği gibi paketin şeklinde ve ayrıca devrede bazı değişiklikler olabilir, güç sürme uygulamaları için bazı devreler SCR veya triak çıkış içerirken diğerleri Schmitt trigger içerebilir. Şekil 5�de gösterildiği gibi motorun miline bağlanan disk OID �nin oluğu içinde kısmen döner diskin konstrüksüyonu (tasarımı) kenarın yanında düzenli açısal aralıklarla kesilmiş n tane delik içerir. Disk dönerken LED �in ışığı diskin olukları içinden geçer ve diskin katı kısmı tarafından durdurulur. Böylece OID iş çevrimi deliklerin boyutu ve yerleştirilmesine, frekansı da motorun w açısal hızına bağlı olan bir titreşim treni şeklinde çıkış verir. Diskin n tane oluğu olduğundan, OID diskin her devri için n atma çıkarmalıdır. Motorun hızı devir / dakika veya devir / saniye ise atmaların frekansı şöyle ifade edilebilir;

 f = n – w / 60  Hz

Atma treni sonra, çıkışı atmaların frekansıyla orantılı olarak bir DC gerilimi olan FVC ye uygulanır. ( frekansı gerilime dönüştürücü ) Bu hız

Şekil 5. OID �nin motorun hızının yönlendirilmesinde kullanılması.

yönlendirici düzenlemesi motorun hızıyla orantılı olan geri besleme gerilimini sağlamak için yaygın olarak kullanılan takogenerotör veya kapalı delik hız kontrol sistemi de kullanılabilir.

OID ayrıca motor milinin açısal konumunu yönlendirmede de kullanılabilir. Motor miline bağlanmış diskin n tane oluğu varsa, herhangi iki oluk arasında ki açısal aralık 360 / n derece olmalıdır.120 delik varsa 3^o �lik aralarla yerleştirilmelidir.

Disk dönerken OID diskteki her delik için bir atma çıkarır. Sonuç olarak, atmaların toplam sayısı motor milinin açısal yerleştirilmesiyle ilişkilidir. Eğer OID �den K atma alınırsa, örneğin motor mili şu açıyı taramış olmalıdır.

  q_m = ( 360 – K ) /  n

Şekil 6 b�de görüldüğü gibi OID-B �den gelen atmalar 8 bitlik binary up / down sayıcı ile sayılır ve çıkıştaki bileşke 8 bit kod ( �nin binary eşdeğeri ) digital-analog dönüştürücü (DAC) kullanılarak V_o gerilim düzeyine ( q_m �nin elektriksel eşdeğerine ) dönüştürülür.

Şekil 6. OID �nin motor milinin açısal pozisyonunu yönlendirme uygulaması. a- blok diyagramı b- dönme yönlendirme zaman diyagramı

Milin denge konumuna ulaşmadan önce dönme yönünü defalarca değiştirdiği örnekler vardır. Bu örneğin sürekli hale erişmeden önce adım cevabı sönümlü osilasyonları geçiren kapalı delik sönümsüz pozisyon kontrol sistemi durumunda oluşur. Bu durumda sayıcı saymaya milin dönmesi ne olursa olsun devam eder ve bu DAC �nin çıkışında yanlış bir cevapla sonuçlanır.

Bu durumu düzeltmek için iki tane OID kullanılır. OID-A çıkışı negatif uç tetiklemeli D filip-flop �una giriş saati olarak kullanılır. OID-B çıkışı ise sayıcıya ve ayrıca D flip-flop� una giriş olarak kullanılır. İki OID öyle ayarlanır ki OID-A çıkışını diskin saat ibrelerinin dönüş yönün de 90^o  dönmesiyle OID-B çıkışına götürür ve saat ibrelerinin tersine dönüşte A çıkışı, B çıkışını  90^o geri bıraktırır. İkili durumun A dalga şeklinin 1 – > 0  geçişi üzerinde tetiklendiği her zaman D flip-flop �unun girişi ve çıkışı motor milinin saat ibreleri yönündeki dönüşü için 1 ve tersi yöndeki dönüşü için de 0 dır. D flip-flop �unun çıkışı böylece disk dönme yönünü her değiştirdiğinde sayma yönünü ters çevirerek sayıcının aşağı yukarı girişi için kontrol işini görür. Bu düzenleme, kapalı delik pozisyon kontrol sisteminde, pozisyon geri besleme sinyalini sağlamada yaygın olarak kullanılan potansiyometre yerine kullanılabilir. Bir bilgisayar ve mikroişlemci tarafından doğrudan kullanılabilen bir potansiyometreye göre motor milinin açısal pozisyonunu digital formda sağlaması yönüyle önemli bir avantajı vardır.

Işığın geçmesini önlemek için, yapıdaki her bir eleman kümesi arasına saydam bir yalıtma malzemesi konulmuştur. Bunların tepki süresi okadar küçüktür ki, Mhz mertebesinde veri iletmek için kullanılabilirler.